Page 83 - 《振动工程学报》2025年第8期
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第 8 期          岳慧裕，等： 直升机主减速器周期撑杆混合振动控制的机电耦合特性及工作机理研究                                     1723

                  直升机主减速器产生的齿轮啮合噪声是直升机                          强宽频控制的效果。另一种是在周期结构进行宽频
              舱内噪声的主要来源之一            ［1‑5］ 。图 1 给出了 S‑76 直升     机械滤波的同时，使用主动控制进行单频或者多频
                               ［4］
              机舱内噪声频谱图 。噪声频谱图中存在多条高分                            振动控制 。相比于被动控制方式，第二种控制方
                                                                         ［5］
              贝的线谱，这些线谱是由直升机齿轮箱中的齿轮啮                            式因为具有谐波控制性能，达到相同的谐波控制效
              合造成的。而齿轮啮合噪声分布在 500~2500 Hz，                      果时其体积更为紧凑、重量更低；相比于主动控制方
              该频率范围正是人耳所敏感的噪声频带范围。齿轮                            式，因为混合控制具有宽频的控制性能，其主动作动
              啮合噪声根据不同机理主要分为两部分，一部分是                            器对功率的需求更小，在工程应用中更易实现。以
              齿轮在啮合的过程中引起空气扰动，造成声辐射；另                           上两种主、被动混合振动控制方式多在一个缩比模
              一部分是由齿轮啮合振动通过主减速器与机体间的                            型结构上进行研究，以加速度或者力传递率为评价
              连接结构（如减速器撑杆）传至机体，引起舱壁等结                           指标。在缩比模型上进行研究，结构的边界条件难
              构的振动而产生的结构辐射噪声                ［6‑7］ 。本研究的主        以模拟真实条件；而使用加速度与力传递率作为评
              要降噪对象为结构辐射噪声，可以通过对减速器撑                            价指标时，一般在试验研究中使用较低水平的加速
              杆进行隔振设计，从而达到抑制舱内结构辐射噪声                            度或者力作为激励，此时主动材料所需要的驱动功
              的目的。                                              率会小。在现实的应用场景下，这些研究问题可能
                                                                存在主动材料功率不足的问题。这些研究的主要问
                                                                题是，没有建立一个可以描述系统全状态的机电耦
                                                                合系统，而本文提出的机电耦合模型包含了结构两
                                                                端的边界条件、结构与材料参数、压电叠堆与驱动电
                                                                压，可以分析主、被动混合振动控制系统中各个参数
                                                                的耦合关系。
                                                                     为了深入分析主、被动混合振动控制系统的机
                                                                理 ，本 文 提 出 了 一 种 简 化 的 混 合 振 动 控 制 系 统 模
                        图 1  S-76 直升机舱内噪声频谱     ［4］
                                                                型——压 电 叠 堆 周 期 撑 杆 模 型（piezoelectric stack
                  Fig. 1  Interior noise spectrum of S-76 helicopter ［4］
                                                                actuators periodic strut， PSAPS），即 将 压 电 叠 堆 与
                  在对减速器撑杆隔振设计的研究中，文献［8‑9］                       被动材料周期排列的，具有主、被动混合控制能力的
              提出采用具有隔振性能的周期结构作为减速器撑                             智能撑杆，如图 2 所示。该撑杆依据 EH101 直升机
                                                                                         ［1］
              杆。在周期结构中，只有特定频带的弹性波可以沿                            的主减速器撑杆的几何尺寸 而设计，具有 4 个周期
              着周期结构传播，这个频带称为通带；而弹性波被禁                           的周期结构。压电叠堆与被动材料周期排列，使该
              止传播的频带称为禁带。由于周期结构独特的动力                            撑杆具有周期结构特有的机械滤波特性；通过控制
              学特性，可以将周期结构视为针对弹性波传播的机                            压电叠堆的电压改变压电材料的动刚度，可以使该
              械滤波器    ［10］ 。                                    撑杆对干扰振动进行主动控制。
                  然而，尽管周期结构在禁带范围内可以取得良
              好的宽频振动衰减效果，但是针对直升机舱内噪声
              这种具有很强的线谱干扰噪声的应用背景，仅仅运
              用周期结构的隔振能力，隔振处理之后的齿轮啮合
                                                                 图 2  适用于主、被动混合振动控制的压电叠堆周期撑杆
              线谱振动水平依然较高 。为提高齿轮箱撑杆的隔
                                   ［5］
                                                                      （单位：mm）
              振效果，有必要在利用周期结构进行宽频隔振的基
                                                                Fig. 2  Piezoelectric  stack  actuators  periodic  strut  for  active
              础上，进一步结合主动控制方法对线谱振动进行控                                   and passive hybrid vibration control （Unit： mm）
              制，这种将被动控制与主动控制相结合的隔振方式
              称为主、被动混合控制方式。                                          在一个由主动材料组成的隔振系统中，当结构
                  已有的基于周期结构的主、被动混合振动控制                          参数、材料与压电参数以及其驱动电压/电流范围、
              主要有两种方式。一种是通过驱动主动材料（例如                            结构边界条件确定时，该隔振系统所能获得的最优
              形状记忆合金、压电材料等）调节周期结构的宽频动                           隔振效果已确定。各种主动振动控制算法的优化只
                                       ［8］
                  ［9］
              刚度 、周期性      ［10］ 、等效阻尼 来抑制杆件中宽频的                 是为了无限接近最优控制效果，并不能改变最优控
              纵波传播。这些方式是在周期结构的基础上将主动                            制效果。然而，现有的应用于直升机主减速器撑杆
              材料模拟成具有特殊性能的被动材料，从而达到增                            的主动振动控制研究文献多将研究重点集中于主动
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